авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НЕСТЕРЕНКО ГЕННАДИЙ ФИЛИППОВИЧ УПРАВЛЕНИЕ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ И ТЕПЛОМАССООБМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ НОРМАЛИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ КАРЬЕРОВ Специальность 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь – 2008 г.

Работа выполнена в Инс титуте горного дела Уральского отделения Россий ской академии наук.

Научный консультант доктор технических наук, с.н.с.

Конорев Михаил Максимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ермолаев Александр Иванович доктор технических наук Казаков Борис Петрович доктор технических наук, профессор Мохирев Николай Николаевич Ведущая организация Московский государственный горный университет

Защита диссертации состоится «» 2008 г. в на заседа нии диссертационного совета Д004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу: 614007, г.Пермь, ул.Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Горного инс ти тута УрО РАН.

Автореферат разослан «» _ 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к.г.-м.н., доцент Б.А. Бачурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В развитии горнорудной промышленности прослеживается устойчивая ориентация на открытый способ разработки как наиболее экономичный и высо копроизводительный. За последние 30 лет доля руд черных и цветных металлов, добытых на карьерах, увеличилась соответственно с 56 до 86% и с 40 до 55%. Ис следованиями на многих карьерах установлено, что при высокой интенсифика ции и концентрации производства, с увеличением глубины происходит загрязне ние вредными примесями атмосферы, превышающее ПДК: по запыленнос ти воз духа на рабочих местах в 3–5 раз, по оксидам углерода в 1,5–3 раза, по оксидам азота в 5–7 раз. Это приводит к появлению профессиональных заболеваний гор норабочих, снижению производительнос ти труда и производственному травма тизму.

С ухудшением экологической обстановки на открытых горных работах в 50-60-х годах ХХ века начала интенсивно развиваться новая область горной нау ки – «Аэрология карьеров», основоположником которой был академик А. А. Ско чинский. Теоретической базой новой науки явились рудничная аэрогазодинами ка, горная теплофизика, метеорология и др. Большое влияние на решение теоре тических и практических вопросов проблемы оздоровления условий труда на карьерах и сокращения вредного воздействия на окружающую среду открытых горных работ оказали труды члена-корреспондента АН УССР Ф.А. Абрамова;

докторов наук Н.З. Битколова, П.В. Бересневича, Л.Д. Вассермана, Г.В. Калабина, Л.Г. Качурина, М.М. Конорева, К. В. Кочнева, А. А. Кулешова, В.А. Михайлова, В.С. Никитина. В. В. Силаева, К.З. Ушакова, С.С. Филатова;

кандидатов наук Я.З.

Бухмана, А. А. Вершинина, Ю.В. Гуля, И. И. Иванова, Л.А. Козакова, Н.В. Нена шева, А.И. Павлова, Г.А. Радченко, С.М. Рослякова, Ю.Д. Хечуева и других.

Основными причинами загрязнения атмосферы карьеров являются несо вершенство технологических процессов и оборудования, ухудшение условий ес тес твенного воздухообмена с ростом глубины карьеров.

Следует отметить, что при «нормальном» (естественном) воздухообмене регулирование и управление пылегазовым и климатическим режимами в атмо сфере карьеров осуществляется за счет природных аэрогазодинамических и теп ломассообменных процессов. Применяемые организационно-технические и тех нологические мероприятия обеспечивают лишь частичное сокращение выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в окружающую среду. Однако при отсутс твии осад ков (дождь, град, снег, иней) выделяющиеся при работе технологического ком плекса вредные примеси выносятся ветровыми потоками и загрязняют приле гающие к карьерам территории – почву, воздушную и водную среды. При мороси и тумане в атмосфере карьеров может возникнуть «смог» вследствие адсорбции частицами переувлажненного воздуха токсичных веществ (оксиды азота, бенз(а)пирен, сажа и др.), выделяющихся с отработавшими газами автотранспор та. Кроме того, при происходит загрязнение почвы и поверхностных вод при вы носе ЗВ с адсорбированными осадками, а также подземных вод через поверхно сти выработанного карьерного пространства. Поскольку ПДК ЗВ для окружаю щей природной среды, в частности, для «селитебных зон», значительно (~ на по рядок) ниже, чем для атмосферы карьеров и промплощадок, то в данном случае следует учитывать экологический ущерб, который не может быть скомпенсиро ван в виде платы за выбросы ЗВ.

При неблагоприятных метеоусловиях (НМУ – сочетание штилей с инвер сиями) происходит лишь усугубление экологической ситуации, когда в соответ ствии с требованиями ЕПБ возникает необходимость прекращения производства горных работ. Продолжительнос ть НМУ для карьеров Якутии, Вос точной Сиби ри, Северо-Запада и Урала составляет соответственно 3500, 2720, 1650 и 1220 ча сов в год. Вынужденные простои карьеров вследствие превышения ПДК ЗВ при водят к экономическому ущербу предприятий и свидетельс твуют о низкой эф фективности организационно-технических мероприятий и средств по регулиро ванию пылегазового режима. В связи с этим, необходимость применения техни ческих способов и средств, позволяющих эффективно регулировать и управлять пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров путем искусст венного формирования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации ее состава и предотвращения выброса ЗВ в окружающий воз душный бассейн является обязательным условием обеспечения безопасности жизнедеятельнос ти экосистемы «карьер – окружающая среда», в т.ч. и при нор мальном (естественном) воздухообмене.



Серьезную опасность для существования экосистемы «карьер – окружаю щая среда» представляют массовые взрывы. Образующееся при взрывах пылега зовое облако (ПГО) при выходе за пределы карьера под воздействием ветра пе ремещается, загрязняя почву, поверхностные воды и значительные объемы окру жающего воздушного бассейна. Кроме того, до 40-60 % вредных примесей оста ется во взорванной горной массе, что при отсутствии эффективных средств и способов их подавления может привести к отравлению горнорабочих при экска вации и транспортировании. В связи с этим, с экологической точки зрения произ водство массовых взрывов при высокой ветровой активнос ти является недопус тимым без применения эффективных средств и способов подавления ЗВ в ПГО и взорванной горной массе.

На основании предшес твующих исследований установлено, что для обес печения экологической безопасности на открытых горных работах одним из пер спективных направлений является использование свободных турбулентных струй.

Состояние научных исследований, опытно-конструкторских работ и ре зультаты испытаний различных типов вентиляторов на основе авиационных вин тов и двигателей позволили перейти от испытаний единичных образцов вентиля торов к созданию систем всесезонного пылегазоподавления.

Однако, в теоретическом и практическом планах в предшествующих науч ных работах не было уделено достаточно внимания исследованиям аэрогазоди намических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карь еров и окружающей среде при воздейс твии газовоздушных и многофазных с труй и при массовых взрывах, а также обоснованию параметров конструктивных эле ментов и устройств средств пылегазоподавления.

Следует отметить, что Государственной программой РФ в ближайшее вре мя предусмотрено развитие сырьевой базы в районе «Малого БАМа» (на юге Якутии) с уникальным рас тительным и животным миром. В связи с этим пробле ма обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер – окру жающая среда» потребует кардинального решения при разработке мес торожде ний полезных ископаемых открытым способом в сложных горно-геологичес-ких и суровых природно-климатических условиях.

Объектом исследования является атмосфера карьера и окружающая среда, санитарно-гигиенические параметры которых формируются под воздействием метеорологических, горногеологических и технологических факторов. Аэрогазо динамические и тепломассообменные процессы, протекающие в атмосфере карь ера и окружающей среде при воздействии многофазных с труй и при массовых взрывах, составляют предмет научного исследования.

Цель работы – формирование рациональных аэрогазодинамических и теп ломассообменных процессов для нормализации атмосферы карьеров и обеспече ния экологической безопасности окружающей среды.

Идея работы заключается в искусственном формировании в атмосфере карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применени ем генераторав осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) для повышения экологической безопасности открытых горных работ.

Для достижения пос тавленной цели необходимо было решить следуюшие задачи:

1. Определить аэрогазодинамические параметры турбулентных газовоз душных и многофаз ных потоков, создаваемых в атмосфере карьера генераторами на основе турбовинтовых двигателей.

2. Установить эффективность процессов восстановления естес твенного воздухообмена методом физического моделирования и промышлеиного экспери мента.

3. Теоретически и в промышленнык условиях определить эффективнос ть тепломассообменньх процессов с применением генераторов осадков при поло жительных и отрицательных температурах в атмосфере карьера.

4. Обосновать и разработать рациональные конструктивные элементы и устройства мощных средств пылегазоподавления.

5. Разработать теоретические основы азрогазодинамических и тепломас сообменных процессов, происходящих при массовых взрывах в карьерах;

6. Обосновать необходимый состав комплекса средств нормализации со става атмосферы карьеров.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Искусственное формирование в атмосфере карьеров рациональных аэро газодинамических и тепломассообменных процессов обеспечивает нормализа цию ее состава за счет разрушения температурных инверсий, активного пылега зоподавления и кондиционирования воздуха с применением генераторов газовоз душных и многофазных турбулентных с труй и средств экологического монито ринга.

2. Повышение эффективности искусственного формирования в атмосфере карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применени ем генераторов осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) достигается за счет оптимальных параметров входного коллектора и кожуха (насадка), приме нения конструктивных элементов и устройств – входных водораспылительных контуров, гидравлических бесфорсуночных сопел, газовыводящих патрубков и систем – шумоглушения, сканирования с труй и регулирования их с тепени неизо термичнос ти.

3. Пылегазовое облако (ПГО) формируется и поднимается как изотропный осесимметричный термик («пузырь») до уровня конвекции zК за время К. При этом изменение температурного перегрева, скорости и времени подъема описы ваются соответственно – линейно-гиперболической, тригонометрически-гипер болической и тригонометрической зависимостями. После уровня конвекции уве личение относительного радиуса и уменьшение относительной концентрации примесей во времени характеризуются соответс твенно параболической и гипер болической зависимостями.

4. За счет предварительной обработки зоны взрыва и последующего актив ного воздействия на ПГО многофазных с труй турбовентиляторов в атмосфере карьера и облаке возникает инверсия, предотвращающая выход облака за преде лы карьера и обеспечивающая условия для активного его рассеяния и подавле ния.

Научная новизна работы заключается в:

– теоретическом обосновании параметров конструктивных элементов и устройств мощных средств пылегазоподавления;

– обосновании комплекса средств при искусственном формировании ра циональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для норма лизации состава атмосферы карьеров;

– разработке на основе лабораторных исследований и промышленных ис пытаний эффективных способов интенсификации искусственного воздухообмена в атмосфере карьеров;

– установлении новых закономерностей процессов формирования, разви тия и распада ПГО на базе разработанных теоретических основ аэрогазодинами ческих и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах;

– разработке теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассооб менных процессов, происходящих в атмосфере карьеров и ПГО при формирова нии, развитии и рассеянии последнего во влажной стратифицированной атмосфе ре;

– разработке аналитических способов расчета параметров облака, зон воз можного загрязнения (ЗВЗ) и оценки эффективнос ти воздействия на подавление ПГО многофазных струй.

Методы исследования. При выполнении работы использован комплекс ме тодов, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований по проблеме;

лабораторные и промышленные эксперименты;

приборные и инс тру ментальные измерения;

математическое моделирование, вычислительная матема тика;

объемное физическое моделирование при исследовании параметров струй и процессов искусственного воздухообмена;

опытно-промышленные испытания средств и систем всесезонного пылегазоподавления.

Личный вклад автора заключается в:

– обосновании параметров конструктивных элементов и устройств мощ ных средств пылегазоподавления, обеспечивающих улучшение аэрогазодинами ческих и санитарно-гигиенических характеристик;

– разработке и обосновании новой технологии тепломассообменных про цессов с применением перемещающихся в карьерном пространстве турбулентных струй;

– разработке аналитических зависимостей для расчета дефицита энергии неустойчивости атмосферы карьеров при температурных инверсиях;

– разработке теоретических основ процессов формирования, развития и рассеяния ПГО при массовых взрывах в карьерах;

– разработке теоретических основ процессов развития ПГО во влажной стратифицированной атмосфере карьеров и активного подавления облака с при менением многофазных струй;

– непосредственном учас тии в разработке, внедрении и промышленных испытаниях средств и систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Ура ла, Казахстана, Средней Азии и Забайкалья.

Обоснованность и достовернос ть научных положений, выводов и рекомен даций подтверждается соответствием и непротиворечивостью теоретических вы водов фундаментальным законам физики;

достаточно высокой степенью сходи мости (85%) результатов лабораторных и промышленных экспериментов по раз рушению температурных инверсий;

представительным объемом лабораторных экспериментов и промышленных испытаний средств искусственного воздухооб мена и пылегазоподавления на карьерах;

разработкой теоретических основ аэро газодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массо вых взрывах.

Научная значимость работы заключается в систематизации, обобщении и развитии научных исследований в области аэрологии карьеров, рудничной аэро газодинамики, горной теплофизики и разработке на этой основе научной методо логии экологически-оптимального управления пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров с целью обеспечения нормальных санитарно гигиенических условий и снижения вредного воздействия открытых горных ра бот на окружающую среду.

Практическое значение работы состоит в обосновании рациональных усло вий применения средств искусственного воздухообмена и подавления вредных примесей в атмосфере глубоких карьеров;

технико-экономическом обосновании выбора типа привода карьерных вентиляторов;

разработке аэродинамических схем и конструкций карьерных вентиляторов-оросителей на базе ТВД;

разработке конструкций устройс тв для генерирования многофазных струй и твердых осад ков;

разработке и внедрении в производство средств и систем всесезонного пыле газоподавления;

разработке и испытании в промышленных условиях способов интенсификации искусственного воздухообмена и подавления пылегазового об лака с помощью многофазных струй;

разработке теоретических основ для расчета пераметров ПГО и зон возможного загрязнения (ЗВЗ).

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты исследований доведены до промышленного применения и во шли в проекты реконструкции карьеров трубка "Мир" (1980), Тейского (1986), Оленегорского (1984, 1990), Качарского (1990), Костомукшского (1992) ГОКов.

Средства и системы всесезонного пылегазоподавления прошли промыш ленные испытания на карьерах Урала (ГБРУ, НТМК, комбинат «Ураласбест»), Казахстана (ЦГХК), Средней Азии (НГМК, карьер «Мурунтау») и Забайкалья (ПГХК и ЗабГОК).

Внедрение систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Целинно го (ЦГХК) и Приаргунского горно-химических комбинатов позволило получить годовой экономический эффект 330 тыс. руб. (в ценах 1990 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты док ладывались и получили одобрение на технических совещаниях инс титутов Ги проруда, ВНИПИпромтехнология, Уралгипроруда, ВНИИпроектасбест, ВНИИБТГ, всесоюзных научных конференциях и совещаниях по проблемам аэ рологии карьеров и охраны труда «Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов» (1976, 1979, 1983 гг.), «Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий» (1980), «Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах» (1985), «Эффективные технологии, способы и средства, обеспечивающие совре менные требования к экологии при разработке месторождений полезных иско паемых» (1990), Международном симпозиуме «Проблемы безопасности при экс плуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (1995), Международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века» (1997), «Международной конференции по открытым и подземным горным работам» (1998), Международной конференции «Проблемы геотехноло гии и недроведения» (1998), на второй международной конференции «Ресурсо воспроизводящие малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (2003), ежегодных конференциях «Неделя горняка» (1997–2008 гг.).

Результаты разработок экспонировались на ВД НХ СССР и были отмечены тремя бронзовыми медалями. Внедрение технических решений отмечено знаком «Изобретатель СССР».

Диссертация обобщает разработки плановых научных исследований ИГД УрО РАН (ИГД МЧМ СССР), выполненных с 1970 по 2008 гг.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 115 печатных работах: 95 статей, в том числе 21 – в научных изданиях, входящих в Перечень ВАК, одна монография, 18 авторских свидетельс тв на изобретения, один патент РФ.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из 6 глав, изложенных на 355 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 87 рисунков и спи сок литературы из 221 наименования.

Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность докторам техниче ских наук А. В. Гальянову, М.М. Конореву, кандидатам наук А. А. Вершинину, А. И. Павлову, С.М. Рослякову, О.Г. Страшникову;

инженерам М.В. Блонскому, А. А. Киенко, В.Н. Макарову, Ю.Л. Калифатиди, Т.Г. Петровой, В. И. Прибылеву за помощь при проведении исследований и подготовке к диссертации к защите.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние исследований по проблеме нормализации атмосферы глубоких карьеров Технологические процессы на карьерах характеризуются интенсивным вы делением вредных примесей, загрязняющих как атмосферу карьера, так и окру жающую среду.

Одним из основных ис точников мгновенного выделения в атмосферу карь еров пыли и вредных газов являются массовые взрывы. Количество одновремен но взрываемых ВВ в рудных карьерах колеблется от 200 до 1000 т и более. При производстве массовых взрывов концентрация вредных примесей как в облаке, так и в атмосфере карьера, а также в горной массе достигает значительных вели чин. Удельный выброс пыли в пылегазовое облако достигает 0,027-0,17 кг/м гор ной массы;





63-80% осевшей в карьере пыли имеет дисперсность менее 1-4 мкм.

Количество образовавшейся пыли и её дисперсность изменяются в широких пре делах и зависят в основном от типа и крепос ти горных пород, с тепени их обвод нённости, удельного расхода ВВ и др.

Важнейшими климатообразующими факторами, определяющими санитар но-гигиеническое состояние атмосферы карьеров, являются радиационный и вет ровой режимы районов расположения, а также синоптическая обстановка.

В связи с тем, что полная энергия атмосферы карьера ос тается постоянной при адиабатических переходах системы из одного состояния в другое, дефицит энергии неустойчивости может быть рассчитан на основании уравнения:

Е у = (Еп+Е в)а - (Е п+Е в)u, (1) где: индексы а - относятся к адиабатическому состоянию ( =а 0,01 К/м);

u – к инверсионному (0);

Еп – потенциальная энергия системы, Дж;

Е в – внутрен няя энергия системы, Дж.

Поскольку на величину Е у определяющее влияние оказывает, то при =idem, H к=idem, Нк/Т0 =idem, Vк=idem, объем любого карьера может быть ап проксимирован усеченным конусом. При этом величины Е п и Е в определяются из уравнений: Hk E П = g0 (1 h T0 ) g R 1 (r0 + h ctg ) 2 h dh, (2) 0H k R (3) E В = Сv 0T0 (1 h T0 ) g (r0 + h ctg ) 2 dh, 0 где: g – ускорение силы тяжести, м/с ;

0 – плотнос ть воздуха у дна карьера, кг/м ;

- температурный градиент, К/м;

Сv – удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме, Дж/кг К;

Т0 – температура воздуха у дна карьера, К;

R –.

универсальная газовая постоянная, Дж/кг К;

r0 – радиус дна карьера, м;

- сред ний угол наклона борта карьера, град.

Значения Е П и Е В вычисляются путем разложения первых сомножителей под знаком интегралов в ряды и последующего их свертывания.

В результате получены итоговые уравнения для вычисления внутренней и потенциальной энергий:

3g g 2g 2 Hk 3R H k ctg H k 4R (4) 2 H 2R EВ = Сv 0T0H k r0 1 k + r0 Hk ctg1 + 1 T T0 T0 4 g 2 g 3 g 1 Hk 4 R Hk ctg Hk 5 R g0Hk 2 Hk 3R 4 EП = r0 1 + r0Hkctg 1 + 1 (5) 2 T0 T 3 T0 Анализ расчетов показал, что для перевода атмосферы ряда карьеров из глу бокого инверсионного состояния ( =-0,05 К/м) в адиабатическое ( =0,01 К/м) потребуется (5,31-13,03)10 Дж. Это эквивалентно количеству тепла, выделяю щегося при полном сгорании 12,3-30 т керосина. Однако, такие ситуации воз можны только в районах крайнего Севера и Якутии.

Время разрушения температурной инверсии можно рассчитать по формуле:

EУ =, (6) n GT H И где: n – количество установок;

GT – часовой расход топлива Т ВД одной установ ки, кг/ч;

НИ - теплотворная способность топлива, Дж/кг;

- к.п.д. процессов сго рания в ТВД ( = 0,970,98).

По технологическим причинам для разрушения температурных инверсий целесообразно применение средств большой единичной мощности.

Следует отметить, что при разрушении инверсий с помощью твердых осад ков необходимо учитывать энергию, выделяющуюся в результате фазовых пере ходов воды в снег. Время обработки атмосферы карьера можно существенно со кратить (на 10-15 %):

{ }, об = E у n[m H у + (С ж С л ) mж Tж ] (7) где: E у – дефицит энергии неустойчивости атмосферы карьера, Дж;

m – расход топлива кг/с;

Ну – теплотворная способность топлива, Дж/кг;

n – количество ге нераторов осадков, шт;

Сж, Сл – удельная теплоемкость жидкости и льда (снега), Дж/кг К;

mж – расход жидкости, кг/с;

Тж – разность температуры жидкости и снега, К.

Значительный объем исследований в решении проблемы пылегазоподав ления при технологических процессах и производстве буровзрывных работ вы полнен институтом ВНИИБТГ. Практический и научный интерес представляют разработки Каз ПТ И, ЦНИЛ ВГСЧ бывш. Минцветмета, НИИКМА, ЦНИИПП по применению для этих целей пены на основе различных составов ПАВ. Примене ние пены уменьшает подъем ПГО в 2-3 раза, в 3-4 раза быстрее осаждается обра зующаяся пыль.

Для подавления пыли при добыче, погрузке и транспортировании полезных ископаемых, а также при их дроблении, измельчении и т.д. в России и за рубежом применяют пену и различные составы на основе нефтяных смол, отходов целлю лозно-бумажного произ водства. Эти и другие рас творы применяются для пыле подавления на автодорогах, закрепления пылящих поверхностей хвостохра нилищ, штабелей руды, обработки площадок для кучного выщелачивания.

Значительный объем исследований по снижению вредных выбросов ОГ ди зельных двигателей выполнен в ИГД УрО РАН. Особый интерес предс тавляет система снижения токсичности отработавших газов (ССТОГ), в основе которой лежит пропуск ОГ через перевозимую горную массу. ССТОГ прошла большой объем промышленных испытаний на карьерах ПО «Апатит» (ЦНИДИ), Качар ском, Оленегорском, "Мурунтау", комбинатов "Магнезит", "Ураласбест".

По мере углубления карьеров происходит трансформация ветровых пото ков и резкое снижение скорости у дна и придонных слоев атмосферы. Для пре дотвращения снижения интенсивности естественного воздухообмена рядом авто ров и организаций предложены различные способы: установка с наветренной стороны карьеров заграждений с проранами (Я.З. Бухман);

установка с наветрен ной с тороны карьера вращающегося цилиндра для обеспечения безотрывного те чения (ВНИИгалургии);

устройство покрытий черного типа для усиления естес т венной конвенции (Каз ПТИ );

размещение отвалов с максимальной отметкой в виде терриконов (Вос тНИГРИ). Перспективным является предложение о созда нии на дне карьеров водоемов, над которыми распыляется вода. Образующиеся при этом "термики" обеспечивают очис тку циркулирующего в районе бассейна воздуха. Поскольку в условиях штилей и инверсий способы интенсификации ес тес твенного воздухообмена не эффективны, целесообразно использовать в эти периоды мощные средства всесезонного пылегазоподавления в режиме генериро вания твердых и жидких осадков.

В 1960 г. Криворожским горнорудным институтом (КГРИ) была разработа на первая в СССР вентиляторная ус тановка на базе турбореактивного авиадвига теля (ТРД) ВК-1 и автомобиля ЗИЛ-130. Результаты испытаний вентилятора по казали, что он позволяет создавать воздушно-водяные струи и тем самым активно подавлять витающую пыль и растворимые газы. На Сибайском карьере применя лась модернизированная турбореактивная установка УВУ-1 на шасси автомобиля БелАЗ-540, спроектированная институтом "Унипромедь" и Казанским проектным бюро машиностроения. Экспериментальные исследования послужили основой для разработки институтами НИИОГР, ВНИИГМ им. М.М. Федорова и Донги проуглемаш специального вентилятора ПВУ-6.

В результате большого объема экспериментальных и опытно-конс трук торских работ ИГД МЧМ СССР и институтом НИПИГОРМАШ были созданы и доведены до промышленного внедрения вентиляторные установки УМП- (ВУ-1), УМП-21 (ВУ-2) на базе несущих винтов вертолетов Ми-1 и Ми-4. Уста новка УМП-1 на шасси автомобиля БелАЗ-548 с воздушным винтом диаметром 3,6 м находится в серийном производстве.

Промышленная проверка эффективности вентиляторных установок АИ-20КВ (Т ВД самолета ИЛ-18), предназначенных для искусственного возду хобмена атмосферы проветривания карьеров объемом до 20х106 м3 и глубиной до 100 м, послужила основой для разработки мощных карьерных вентиляторов оросителей НК-12КВ и создания на их базе на ряде крупных карьеров систем все сезонного пылегазоподавления.

Обязательным элементом комплекса средств нормализации атмосферы карьеров должны быть средства и системы экологического мониторинга.

Анализ характеристик различных средств и систем экологического мони торинга воздуха рабочих зон и атмосферы показал:

– для условий карьеров характерна высокая мобильнос ть фронта горных работ, вследствие чего системы и средства пылегазового контроля должны вклю чать средства передачи информации по радиоканалу;

– существенными недос татками стационарных и передвижных комплек сов являются высокая стоимость вследствие комплектации однокомпонентными газоанализаторами и отсутс твие средств радиотелекоммуникаций;

– средств радиотелекоммуникаций, как у системы «Диспетчер-2», у со временных средств и систем экологического мониторинга нет;

– самыми надежными и точными являются многокомпонентные газоана лизаторы и комплексы производства ЗАО «УКРАНАЛ ИТ» (Украина);

– для условий карьеров пригодны приборы, имеющие цифровые выходы (интерфейсы RS232 или RS485), позволяющие адаптировать пылегазоанализато ры путем преобразования информации в радиосигналы.

В результате анализа также установлено, что в настоящих условиях суще ствует реальная возможность внедрения модернизированной системы «Диспет чер-2», разработанной ИГД МЧМ СССР и проходившей испытания на карьерах «Мурунтау» (Узбекистан) и комбината «Магнезит» (г.Сатка, Челябинская об ласть). Наличие радиотелеметрических устройств в модернизированной системе «Диспетчер-2», современных многокомпонентных газоанализаторов атмосферно го воздуха и радиотехнических средств в кабинах горнотранспортного оборудо вания позволяет реально использовать систему спутниковой навигации GPS – «ГЛОНАС» для экологического мониторинга и управления средствами и систе мами пылегазоподавления 2. Обоснование рациональных конструктивных параметров и элементов средств нормализации атмосферы карьеров Работами, выполненными в ИГД УрО РАН (ИГД МЧМ СССР), было уста новлено, что из имеющихся технических средств для целей искусственной венти ляции и пылегазоподавдения в карьерах наиболее приемлемыми являются венти ляторы на базе ТВД, объединяющих в себе воздушные винты изменяемого шага и газотурбинный привод, имеющий малый вес и габариты, при этом отпадает необ ходимость в большом резерве установленной мощности карьерных электриче ских подстанций.

При работе на земле Т ВД имеют максимальное значение тяги и минималь ный удельный расход топлива. Эти параметры могут быть улучшены за счет над дува компрессора, впрыска воды (или 3-7% смеси метанол-вода) непосредствен но в камеру сгорания или воздухозаборник компрессора. При введении 5% воды в компрессор двигателя прирос т тяги газотурбинного двигателя составляет 33%, снижение удельного расхода топлива – 7%. Для реализации этих способов предложены конструкции воздухозаборника и водораспыляющих контуров, защищенные авторскими свидетельствами.

Опыт промышленной эксплуатации экспериментального образца вентиля тора НК-12КВ показал необходимость доработки его конс трукции с целью улуч шения аэродинамических, гигиенических и эксплуатационных характеристик.

Следует отметить, что в выполненных В. И. Шайдаковым исследованиях системы «винт–насадок», имеются неточнос ти, приведшие к ошибочным выводам. В связи с этим возникла необходимость в дополнительных теоретических исследованиях качеств системы «винт–насадок», излагаемых ниже.

Определяющим фактором, входящим во все расчетные интегральные фор мулы, является разнос ть давлений в любой точке эквипотенциальных поверхно стей кольца:

pк = pa pк = (V к2 2) (1 + 2 dS R ), (8) AB где: pa – атмосферное давление, Па;

pк – давление на поверхнос ти кольца, Па;

– плотность воздуха, кг/м ;

dS – элемент дуги, на радиусе R ;

V к – средняя скорость по поверхности равного потенциала, проходящей по поверхнос ти кольца, м/с.

К х – по В.И.Шайдакову 0, 0, 0, 0,2 0,4 0,6 0,8 Вк=Вк/R Рис.1. К вычисле нию инте грала Рис.2 Зависимость коэффицие нта тяги ds 2. коль ца от относитель ной ширины.

R На рис.1 представлена расчетная схема для вычисления интеграла, входя щего в формулу 8.

После перехода к безразмерным величинам R = R R, R = R R, rк = rк R sin 2 ( к 2) dS и интегрирования получим: 2 = 2 ln (1 2 rк ) + R На основании уравнения неразрывности и интегрирования в системе сферических координат – Vк = v1 sin 2 ( к 2) [1 + rк (1 + cos к )]2.

В итоге имеем общее решение уравнения 8:

sin 2 ( к 2) sin 4 ( к 2) (9) 2 pк = (v1 2)p = (v1 2) 1 + 2 ln 4 rк ) + [1 + rк (1 + cos к )] (1 В интегральной форме тягу кольца можно представить в виде:

(10) R 2 v [1 + rк (1 + cos к )] rк sin к p к d к Tк = = TKmv 1.

где: m=R v 1 – массовый расход воздуха в плоскости вращения винта, кг/с;

К – коэффициент тяги винта.

После преобразований с переходом к новой переменной и интегрирования общее решение исходного уравнения для коэффициента тяги кольца представит K = [ln((Bк + 1) Bк ) 1 / 2] [1 + (2 Bк 2 ) ln( Bк + 1) 2 Bк ] + ся в виде:

+ (2 Bк2 ) [ (Bк (Bк + 1)) n (1 n 2 ) + ( Bк 2) 3 ln( Bк + 1) / 2]. (11) i = В результате расчетов по формуле 11 установлено, что относительная ши рина кольца Bк =0,5 ( rк = 0, 25 ) является оптимальной Кmax=0,25 (рис.2). Для опре деления оптимальной глубины расположения винта в насадке необходимо учесть, что при любых Bк, rк графики функции p к = f ( rк, к ) имеют точку перегиба при к=120°. Наличие этой точки свидетельствует о зоне максимальной степени эжекции на поверхности кольца.

Исходя из тригонометрических соотношений (рис.3), оптимальная глубина расположения винта в насадке может быть определена по формуле:

c = [1 + rк (1 + cos к )]ctg к + rк (1 sin к ) (12) При rк = 0,25 и к =120 o, ск опт = 0,654.

опт Суммарная тяга системы «винт-насадок» соста вит: T =Tв +Tк = mV (1+ K).

При rк = 0, 25 ( Bк = 0,5) Т =1,25mV1, т.е. на 25% больше тяги изолированного винта.

Положительный опыт эксплуатации карьерных вентиляторов-оросителей АИ-20КВ позволил реализовать идею создания мощных модульных вентиляторов на их базе. При компактном распо ложении модулей входные коллекторы насадков симметрично расположенных 4-х модулей необ ходимо профилировать с отклонением плоскости Рис.3. К опре деле нию cопт входа воздуха в коллектор от плоскости вращения винта на угол 20°. От клонение плоскости входа коллектора позволяет обеспечить, не только компакт ность модулей и создаваемого потока струй, но и предотвратить ухудшения ус ловий подтекания воздуха к винтам.

Рис. 4. Общий вид и параметры модуля вентилятора ВОКМ-4-2500 на базе ТВД АИ- Кроме этих параметров для модуля вентилятора ВОКМ-4-2500 (рис.4) дано обоснование следующим конструктивным элементам: величине относительного зазора между концами лопастей и кожухом ( S = S Rв = 0, 025 );

относительного расширения насадка Dвых = Dвых Rв = 2,28;

относительной длины кожуха (LH = LH Rв = 3, 6);

спрямляющего аппарата – из 6-ти лопаток с относительной шириной b л = bл Rв = 0, 7;

относительной ширины хорды конца лопас ти bкл = bкл R в 0,11.

При проектировании кольца-насадка НК-12КВ-1М были рекомендованы следующие параметры: зазор между стенкой насадка и концом лопасти s =0, (s=50 мм);

относительный радиус кольца насадка rкср =0,212;

ширина кольца B =0,35;

длина насадка Lн =3,6;

расстояние от средней плоскости вращения вин тов до передней кромки кольца C =0,68 (C=1,900 м). Несущественные отличия rкср и Bк от оптимальных значений были обусловлены конс труктивными и экс плуатационными причинами.

Результаты сравнительных промышленных испытаний вентиляторов НК-12КВ (без кожуха) и НК-12-КВ-1М (с кожухом) показали, что выбранные геометрические параметры кожуха позволили значительно улучшить аэродина мические характерис тики струй в начальном сечении. Так средняя скорость в на чальном сечении струи увеличилась с 48 до 61 м/с, расход с 1160 до 1690 м /с, профиль скорости с тал более равномерным. По сравнению с идеальным винтом применение профилированного кожуха позволило увеличить к.п.д. в 1,3 раза.

При температурных инверсиях в атмосфере карьеров дальнобойность газо воздушных струй карьерных вентиляторов уменьшается и может оказаться не достаточной для воздействия на слои воздуха у дна карьера. В связи с этим определение рационального размещения установок относительно дна карьера следует производить с учетом температурной стратификации.

Расчет параметров неизотермических струй вентилятора можно произво дить по формуле, полученной Г. Н. Абрамовичем и А.А. Вершининым на основе теоремы о количес тве движения тела переменной массы. Траектория оси с труи описывается уравнением:

y = 0, 052 Ar x 3 cos 3 ± x tg, (13) где: y = y d 0, x = x d 0 – безразмерные координаты траектории с труи в верти кальной плоскости;

d0 – диаметр с труи в начальном сечении, м;

- угол наклона струи в вертикальной плоскости (от горизонтали вниз 0, вверх 0), град.;

Ar – критерий Архимеда.

Характер температурной стратификации воздуха в атмосфере карьера мож но учесть для струй критерием Архимеда:

2 Ar = (gd 0 U 0 ) (Tc Th ) = ( gd 0 U 0 ) (Tc Th 1), (14) где: Тс – избыточная температура струи, К;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

U0 – средняя скорость струи в начальном сечении струи м/с;

Тh – температу ра воздуха в карьере на уровне размещения установки, К.

После подстановки значений параметров, определяющих критерий Архи меда, уравнение 13 приобретает вид: y = B x 3 cos 3 ± x tg, (15) Tг где: B = 1, 83 10 5[ 1].

Т 0 (1 h T0 ) Из уравнения 15 определим координаты точки перегиба струи:

2 x n = ( sin cos 3B).

2 y n = (2 / 3) tg( sin cos 3 B).

Точка пересечения оси струи с осью ОХ определяется из исходного уравнения при y = 0 : x 2 = ( sin cos B) 2.

Из анализа коэффициента В, входящего в расчет основных параметров тра ектории струи, можно установить, что при больших отрицательных значениях целесообразно выводить часть газов реактивного выхлопа. Это будет способство вать увеличению глубины проникновения струи в атмосферу, а также уменьшит ее токсичность. К примеру, при = –0,01 К/м и = –20° за счет вывода 50% газов струи реактивного выхлопа (Тг=377К) глубину проникновения струи можно уве личить в 1,8 раза y П = 26, 3 (yП= –150 м).

При работе карьерных вентиляторов в динамическом режиме происходит искривление траекторий осей струй, которое оказывает существенное влияние на дальнобойнос ть. Исследования параметров струй, перемещающихся в простран стве, производились на специальном стенде с применением графометрической обработки фотографий задымленных с труй. При этом для имитатора вентилятора типа НК-12КВ скорость истечения с труй из насадка изменялась в диапазоне U0=(2050) м/с при скоростях поступательного перемещения W=(0,10,8) м/с;

угол атаки струи – между вектором скорости истечения воздуха в начальном се чении U и скоростью пос тупательного перемещения W – изменялся в интервале 6 0 2 с шагом 0= /12 (15°).

Степень искривления траекторий осей струй, вытекающих из насадков -3 -3 имитаторов, d0=(420)10 м определялась при 0= /2 (90°) при Q0=10 м /с.

Скорость поступательного перемещения изменялась в интервале W=(0,10,5) м/с с шагом W=0,1 м/с.

В результате анализа экспериментальных данных была получена обобщен ная эмпирическая формула траектории оси при поступательном перемещении струи:

X i = (aYi sin 0 ) 57, 2(W U 0 ) 2 aYi (aYi + 3,1) 13 cos 0, (16) где: W- скорость поступательного перемещения, м/с;

U0 – средняя скорость возду ха в начальном сечении с труи, м/с;

а – коэффициент структуры струи;

0 – угол атаки струи, рад;

X i = X i d 0 ;

Yi = Yi d 0 – безразмерные координаты траекто рии. Результаты расчетов по ф.16 приведены на рис.5.

При 0 /2 из 16 можно определить глубину проникновения с труи по на правлению О Y перемещения при условии:

, W dX i a [171 6 aYi ( aYi + 2,1) 13cos 0 ] = =, U dYi sin 0 и ординату точки с максимальной глубиной проникновения в направлении OX :

Y = ( 1 + 0, 07(W U 0 ) 2 1) (0,963a).

* Абсцисса точки определится при подста * новке Y в уравнение 16. Точка пересече ния траектории оси струи, перемещаю щейся под углом 6 0 2 с осью OY, определится из уравнения 16 при x = 0:

** = ( 1 + 0,0935(W U0 ) cos 0 1) (0, 64a).

Y Глубину проникновения струи по оси OY определяем, исходя из условия Um=3 м/с.

В зависимости от отношения W/U Рис. 5. Траектории осей струй оптимальный угол атаки перемещающейся струи находится в интервале 6 0 2.

при поступательном перемещении При этом определение точек изотахи Um= м/с на траекториях осей перемещающихся струй можно производить по форму ле:

li = 1 + (dx i dyi )2 y i, (17) где: l = l / d 0 - безразмерная длина траектории оси струи.

Ввиду того, что дальнобойнос ть струи D max 0,95 l, в практических расче тах для заданного отношения W/Uo значение опт можно определить по формуле:

опт = arccos(W U 0 ) 2 3,96 a l (al + 3, 28).

(18) При исследовании параметров струй, создаваемых имитаторами вентилято - ра НК-12КВ (d0=5,610 м), cкорость истечения изменялась в диапазоне 20U м/с, а скорость углового перемещения 16 рад/с.

- Для имитаторов d0=(4,8,12,16,20)10 м скорость углового перемещения -3 изменялась в интервале 15 рад/с при Q0=10 м /с.

На основании анализа экспериментального материала по методике было получено обобщенное эмпирическое уравнение траектории оси с труи при угло вом перемещении имитаторов вентиляторных установок:

i = 114(a i ) (U 0 d o )1,11 10(a i )2 (U 0 d 0 )1, 22 + 0,323(a i )(U 0 d 0 )1,33, (19) где: U 0 - скорость ис течения струи в начальном сечении, м/с;

- скорость углово го перемещения имитатора, рад/с;

а - коэффициент структуры струи;

d0 - диаметр имитатора, м;

i = i d 0, i полярные координаты точек траектории.

Значение функции, при котором струя превращается в след, т.е. max = R, определится из уравнения:

di d i = 342a i (U 0 d 0 )1,11 20a i (U 0 d 0 )1, 22 + 0, 323a (U 0 d 0 )1, 33.

32 (20) Откуда: i = (0, 054 a) (U 0 d 0 ) 1, После подстановки i в 19 получим: max = 6, 25 10 (U 0 d 0 ) 3 1, Рис. 6. Влияние режима работы двигателя на параметры перемещающихся струй (а – 0,7 номинала;

б – 0,85 номинала) Анализ результатов исследований параметров струй при угловом переме щении свидетельствует о том, что в зависимости от места расположения ус тано вок целесообразно изменять режим работы авиадвигателей. Расчетами было ус тановлено, что при l =90 обеспечивается эффективный искусственный воздухо обмен Центрального карьера комбината "Ураласбест" в интервале скорости угло -3 - вого перемещения 10 H 510 рад/с на режиме работы авиадвигателя HK I2KB 0,7 номинала (Uо= 40 м/с). Для обеспечения условий формирования струй в этом интервале H необходимо, чтобы min 7/45 (рис. 6а). При работе двигате ля вентилятора на режиме 0,85 номинала (Uo = 50 м/с) обеспечивается проветри вание карьера с l max =108, 10-3 H 610-3 рад/с, min 5/36 (рис. 6б).

Аналогичные расчёты можно произвести для других средств искусствен ного воздухообмена, создающих изотермические струи.

С учетом экономико-экологического фактора и многообразия параметров карьеров к средствам общеобменной искусственной вентиляции должны предъ являться следующие основные требования: максимальная начальная производи тельнос ть и дальнобойность струй;

высокая надежность и экономичнос ть;

соот ветствие гигиенических характерис тик санитарным нормам;

оснащённос ть ус т ройствами для активного подавления вредных примесей в атмосфере карьера;

широкий диапазон изменения ориентации струй в процессе пылегазоподавления.

На основании выполненных исследований и опыта промышленных испы таний различных средств вентиляции и пылегазоподавления предложен типаж ный ряд карьерных вентиляторов, адаптированный к условиям открытых горных работ: мобильные вентиляторы - оросители многоцелевого назначения с дизель ным и дизель-электрическим приводом;

мобильные вентиляторы с дизель электрическим приводом на базе вертолетных винтов со складывающимися лопа стями ( вертолеты серии "Ка" ) для проветривания воронкообразных карьеров и застойных зон восходящими вертикальными и наклонными струями;

пере движные вентиляторы большой производительности (Qc = 10000–12000 м /с) на базе несущих вертолетных винтов с электрическим и газотурбинным приводом;

передвижные вентиляторы-оросители на базе ТВД. Вентиляторы на базе несущих винтов вертолетов должны комплектоваться воздухоочистительными экранами, устанавливаемыми со стороны подсоса воздуха под винт.

Технические характеристики карьерных вентиляторов, входящих в реко мендуемый типажный ряд, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики карьерных вентиляторов ВОКМ Показатель УМП- УМП-14 УМП- АВК- ВК - АИ- НК- В ОКМ -1(2) - -4- -1А (Б) 21 -35/Э 2000 20КВ 12KB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Движитель Авиационные Несущие вертолетные винты Турбовинтовые воздуха винты серии «М и» и «Ка» двигатели 3, Диаметр винта, м 3,6 14,5 21 35 15,74 4,5 5,6 (2х2,5) Ди Ди- Газо Дизель- зель Тип привода Электрический турбин. Газотурбинный зель электр. электр ный электр.

.

М ощность 2х4050 2550- 9400- 10200 368 600 320 1000 привода, кВт /8000 3000 11000 Продолжение табл. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Средняя скорость воздуха в началь- 24 24 7,2 8,15 12,6 10,3 40 61 ном сечении струи, м/с Начальный расход 11000 240 300 1050 2520 2000 640 1680 воздуха, м /с Даль нобойность струи в равнове с ной атмосфе ре до 180 250 200 250 640 230 320 520 се че ния со сре д не й скорость ю 0. м/с Высота подъема ве ртикаль ной струи в устойчивой - - 290-150 374- 600-329 300-170 270- 450- 600 атмосфе ре при 200 170 265 те мпе ратурном градие нте = +0,5 – Шасси Ходо- Ходо Базовое Ходовая авт. вая те БелАЗ- БелАЗ - Ходовая тележка тележка БелАЗ- КрАЗ лежка вая те транспортное лежка 548 7519 бурового станка ЭКГ-8И спец. ЭКГ- ЭКГ-8И основание Изгот. 4, Вентиляторы Вентиляторы Универсальные Вентиляторы для создания воздухоочистите Назначение установки вертикальных и ли для создания оросители местного наклонных вертикальных и генераторы осадков проветривания струй наклонных струй Серий- Рабочие Эскиз- Промышлен- Рабочие ное про- черте- Опытные Рабочие ный ные черте Состояние работ образцы чертежи извод- жи проект образцы жи ство 3. Теоретические и экспериментальные исследования процессов генерирования и переноса осадков воздушно-газовыми струями карьерных вентиляторов Значительные объемы выработанного пространства карьеров (108 м3) по требовали разработки мощных средств подавления вредных примесей, выделяю щихся в атмосферу при работе технологического комплекса.

При гидрообеспыливании загрязненной атмосферы карьеров необходимо применение эффективных способов распыления воды или водных растворов для обеспечения достаточной дальности переноса осадков.

Большая кинетическая энергия газов реактивной струи Т ВД позволила от казаться от существующих способов распыления жидкости (дисковые, электро статические, акустические, центробежно-форсуночные), отличающиеся конст руктивной сложностью и низкой производительностью.

В основу устройств для генерирования и переноса осадков карьерными вентиляторами был положен пневматический способ распыления воды и водных растворов. При этом распыление (дробление) жидкости производится за счет энергии газов высокоскоростной реактивной с труи, а перенос спутной воздушно газовой струей.

Процесс пневматического распыления жидкости достаточно сложен, и его механизм еще полнос тью не исследован. Ряд исследователей, занимавшихся изу чением этого процесса, отмечает, что в ходе дробления жидкой с труи под дейс т вием газового потока можно выделить три стадии.

В первый момент на поверхности жидкос ти возникают небольшие возму щения в виде местных пульсаций. Под дейс твием аэродинамических сил эти по верхности возмущения развиваются далее, и из жидкости начинают вытягиваться отдельные нити, которые распадаются затем под дейс твием поверхностного на тяжения.

Исследования производились путем измерения отпечатков при осаждении на пластинку, покрытую сажей по методике Стокера.

Промышленные испытания карьерных вентиляторов выявили несовершен ство конструкций гидравличеких устройств, в связи с этим были разработаны но вые водораспылительные гидравлические сопла. При относительных массовых Qж Qж / Qв 0, расходах жидкости следует учитывать силы гравитационного оседания. В связи с этим при переносе струями карьерных вен тиляторов жидких или твердых осадков, можно использовать законы баллисти ки. В частнос ти, траекторию оси струи можно описать системой параметрических х = Vo cos t, уравнений: (21) у = hу + хtg gt 2 2, где: х – абсцисса траектории оси, м;

у – ордината траектории оси, м;

g – ускоре ние свободного падения, м/с ;

– угол наклона струи, в вертикальной плоскости, град.;

t – время, с;

hУ – высота расположения генератора осадков от дна карьера, м;

Vo – скорость в начальном сечении струи, м/с.

После исключения параметра t = x (Vo cos ) получим уравнение траектории оси струи: у = hу + xtg gx 2 (2Vo2 cos 2 ). (22) Абсцисса оси струи, при которой высота подъема (ордината) максималь на, определяется после дифференцирования уравнения 22:

2 dy dx = 0 = tg gx (Vo cos ).

x / y max = (V0 2 g ) sin 2. (23) После подстановки 23 в 22 получим максимальную высоту подъема струи относительно дна карьера: у maх = hy + (Vo2 2 g ) sin 2. (24) Максимальная дальнос ть переноса осадков из уравнения 22 при у = 0:

х max = (Vo2 sin 2 2g ) [1 + 1 + 2h у g (V02 sin 2 )]. (25) Площадь карьера, обрабатываемая одним генератором осадков, определит ся по условию: S = x max 360.

В результате расчетов установлено, что при =20о, = 45о, hy = 100 м, Vo= 60 м/с максимальная высота подъема осадков от уровня дна карьера составляет 120 м, Хmax = 370 м, объем обрабатываемой зоны V3 = 15106 м3, площадь обраба тываемой зоны 107000 м. При тех же условиях, но при угле наклона генератора о осадков = 45 дальность переноса возрастает на 20 %, высота подъема осадков и площадь обрабатываемой зоны увеличиваются на 60 %, а объем обрабатываемой зоны достигает 3210 м.

Анализ экспериментальных и теоретических данных о процессах естес т венного образования осадков, а также выполненных ранее экспериментов и визу альных наблюдений по искусственному генерированию и переносу осадков с по мощью газовоздушных струй карьерных вентиляторов НК-12КВ и АИ-20КВ, по зволяет предложить следующую теоретическую модель процессов искусственно го образования и переноса осадков.

На начальном участке струи вентилятора перенос образующейся в процессе распыления капельной смеси осуществляется за счет кинетической энергии реак тивной составляющей струи, при этом смесь движется в четко локализованном конусе реактивных газов. Для этого участка с труи характерны очень большие, недостижимые в обычных природных условиях скорости тепло- и массообмена.

Граница начального участка зависит от секундного массового расхода и темпера туры нагнетаемой жидкости. Для вентиляторов на базе Т ВД размеры активной, начальной части с труи составляют примерно 5-6 калибров. При движении капель жидкости в струе реактивных газов интенсивнос ть теплообмена, в частности процесса испарения и насыщения смеси паром, на один-два порядка больше, чем на основном участке. Связано это с тем, что взаимодействие жидкости с высоко температурной (tR 320°C) высокоскоростной струей газов вызывает весьма ин тенсивное нагревание и испарение образовавшихся капель жидкости. Если рас ход жидкости достаточно велик, то смесь жидких капель и пара уже в конце на чального участка оказывается в состоянии перенасыщения водяным паром. Тем пература перенасыщенной смеси определяется секундным расходом и темпера турой подаваемой жидкости. При этом температура капельной смеси будет все гда выше температуры жидкости, но меньше температуры кипения воды при данном давлении.

Из уравнения тепломассообмена между нагнетаемой жидкостью и во до-газовоздушными компонентами струи на основном учас тке переноса опреде лится температура жидкости, обеспечивающая работу вентилятора в режиме ге нерирования твердых осадков:

(mW + m g )E(0 ) m C mC t g W W tW R R t R. (26) m g C g p (0 ) mg C g mg C g где: m R, m g, m p, m W - соответственно секундный массовый расход реактивных газов, жидкости, образующегося водяного пара, вовлекаемого в водяной конус струи воздуха, (кг/с);

C R, C g, C p, C W - соответс твенно удельные теплоемкости га за, жидкости пара и воздуха (Дж/кг К);

- удельная теплота парообразования воды (Дж/К);

t R, t g, tW, t S - температура газов, жидкости, воздуха и равновесной насыщенной паром капельной смеси (°С);

0, 622 E(t S ) p – зависимость упругости насыщения пара от температуры и атмосферного давления.

Экспериментальные наблюдения показали, что угол раскрытия газо водяного конуса зависит в основном от массового расхода и температуры вводи мой в струю жидкос ти. Угол раскрытия конуса в спутном воздушном потоке со ставляет 10-12°, а масса вовлекаемого в него воздуха – 35-40% от массового рас хода воздуха в начальном сечении струи.

Таким образом mW (0,35 0,4)mW 0 = (0,35 0, 4) 2000 = (700 800) кг с.

Из условия, что максимальный секундный расход воды составляет 100 кг/с, m R = 55 кг / с, t R 320 o C, а E (0 ) / p 0, 006, по формуле 26 находим:

t g 2 {tW 11, 5}. Это соотношение определяет предельно допус тимую темпера туру жидкости при ее максимальном расходе и заданной температуре окружаю щего воздуха, когда вентилятор может эффективно работать в режиме генериро вания твердых осадков: температура капельной смеси в конусе струи вентилятора t S 0. В этом случае подавляющая час ть капель, выпадающая из струи, будет охлаждена до 0°С, а мелкие капли будут выпадать в виде ледяных частиц. Для того, чтобы процессы кристаллизации, формирования и роста снежинок полно стью завершились, необходимо, чтобы время свободного падения переохлажден ных капель превышало время их кристаллизации. На основании расчетов уста o новлено, что повышение температуры воздуха на 1,5-2 C в объеме интенсивного выпадения твердых осадков порождает восходящий поток, выносящий связанные и нейтрализованные вредные примеси из атмосферы карьера. Кроме того, встречный восходящий поток уменьшает среднюю скорость падения осадков, т.е.

увеличивает время контакта, а значит и вероятность захвата вредностей.

C |t | C t E(o) Из общего выражения 26 получаем: mg mw w w mR R R (mw + mR) Cgtg P.

Cgtg Cgtg Это соотношение определяет секундный массовый расход жидкости для заданной температуры воздуха (tw) и жидкости (tg), обеспечивающий работу вентиляторов в режиме генерирования твердых осадков. Подставляя численные значения по стоянных параметров системы, находим условия:

| t | 11, mg (m w 4) w.

tg Наблюдения показали, что в ряде случаев даже при неработающем обору довании происходит загрязнение атмосферы карьеров пылью, которое увеличи вается по мере возрастания скорости ветра.

Предотвращение срыва пыли с поверхности земли может быть достигнуто путем поддержания ее влажности в нужных пределах или укрепления связующи ми составами. Наиболее приемлемым закрепителем является битумная эмульсия 50-60%-ной концентрации с удельным расходом битума 0,5-0,6 кг/м. Обладая хорошей устойчивостью против ветровой эрозии (при скоростях ветра до 15 м/с) и способностью восстанавливать свои первоначальные свойства после увлажне ния поверхнос ти, эмульсия образует на поверхнос ти ус тойчивую пленку. Резуль таты проведенных экспериментов на карьерах ССГОКа позволили сделать вывод о целесообразности использования мобильных установок типа АИ-20КВ для ук репления откосов отвалов из песчаных и глинистых грунтов с помощью различ ных химических реагентов, а также для гидропосева семян трав с одновременным внесением минеральных удобрений и связующих эмульсий.

4. Исследование эффективности средств и систем управления процессами нормализации состава атмосферы карьеров Гидравлические и диффузионные процессы, происходящие при искусст венном проветривании карьеров, весьма сложны, и теоретический расчет их без проведения предварительных экспериментальных исследований практически не возможен. Однако качественную и количественную оценку этих процессов мож но дать на основе метода объемного физического моделирования. Он позволяет произвести выбор комплекса средств пылегазоподавления и режимов их работы при восстановлении ес тественного воздухообмена путем разрушения темпера турных инверсий с минимальными затратами. Тем самым можно избежать нера ционального расхода материальных ресурсов на создание комплекса средств пы легазоподавления.

Исследования эффективности методом объемного физического моделиро вания проводились для многих предприятий и предшес твовали внедрению сис тем всесезонного пылегазоподавления на карьерах ГБРУ НТМК, ЦГХК и ПГХК.

Объемному физическому моделированию предшес твуют: энергетическая оценка атмосферы карьеров и экологическая – технологического комплекса. Пер вая производится по методике, изложенной в главе 1. При этом предварительно определяется состав комплекса для восстановления естес твенного воздухообмена путем разрушения температурных инверсий (формулы 1, 4, 5, 7).

При экологической оценке технологического комплекса определяется ко личество пылегазовых выбросов в атмосферу карьера и окружающую среду. На основе этого можно рассчитать расход воздуха (Qн) на выходе струй для поддер жания концентрации примесей на оптимальном уровне, меньшем ПДК:

Q Qн =, (27) 1 С опт K 1 C н 1 e K где: Q = F [c ] – потребнос ть карьера в свежем воздухе (по пылевому и газово му факторам) для разжижения вредных примесей до ПДК, м3/с;

C н =0,15 – отно сительная концентрация вредных примесей в окружающем карьер воздушном бассейне;

C опт – оптимальный уровень снижения относительной концентрации примесей в цикле общеобменного проветривания, для ориентировочных расчетов C опт =0,5;

К – коэффициент эффективности проветривания, К=0,50,7;

= Qн в Vк – коэффициент обмена;

в – время проветривания, с;

Vк – объем ат мосферы карьера, м ;

F – суммарная интенсивнос ть выделения вредных приме сей кг/с;

[c] – ПДК, кг/м.

При исследованиях микроклимата в атмосфере карьеров используются данные многолетних метеонаблюдений по ветровым потокам, температуре и влажности воздуха. С учетом розы ветров и профиля сечения карьера определя ется характер схем естественного воздухообмена – прямоточная, рециркуляцион ная и рециркуляционно-прямоточная. Это позволяет предварительно определить место расположения средств общеобменного проветривания и пылегазоподавле ния при объемном физическом моделировании.

При большой глубине карьеров необходимо учитывать неравномерность распределения вредных примесей по высоте. В связи с этим в состав вентиляци онного комплекса должны входить ус тановки, создающие как наклонные и гори зонтальные струи, так и вертикальные.

В работе приведены результаты исследований эффективнос ти массообмен ных процессов при искусственной вентиляции методом физического моделиро вания на примере карьера ЦГХК. При моделировании соблюдались геометриче ское, кинематическое и динамическое подобие модельных и натурных объектов.

Вследствие нестационарности процесса диффузии определяющим частичное ди намическое и диффузионное подобие является критерий гомохронности:

Ho = Fo Pe = U L = const, (28) где: U – скорость воздуха в сходственных точках модели и натуры, м/с;

L – ха рактерный линейный размер, м;

– время процесса, с;

Fo=L2/D – диффузионный критерий Фурье;

Pe=D/UL – диффузионный критерий Пекле;

D – коэффициент турбулентной диффузии, м /с.

С учетом того, что mt=н/м, из формулы 28 можно определить временной масштаб протекающих в карьере и его модели диффузионных процессов при ис кусственной вентиляции:

mt = н м = m L L мU м (muU м Lм ) = mL mu, при mu=1 m =mL.

Для «динамических» схем искусственного воздухообмена карьеров – с по ступательным или угловым перемещением струй внутри карьерного пространс т ва – критерий гомохроннос ти позволяет определить масштабы скоростей пере мещения турбулентных струй.

В результате обработки лабораторных исследований получены значения функций изменения безразмерной концентрации примесей во времени – C к = f (в ) и рассчитывались скорости снижения концентрации (dCк dв ) т ср (рис. 7, 8а), по значениям которых определялись наиболее эффективные схемы искусственного воздухообмена. Экспериментально установлено, что эффектив ность процессов искусственного воздухообмена с применением перемещающих ся в карьерном пространс тве турбулентных струй повышается на (25 – 30)%.

Для схем, обеспечивающих максимальную текущую среднюю скорость снижения концентрации, определялись рекомендуемые режимы работы системы пылегазоподавления (рис. 8б).

Рис. 7. Исследование эффективности «динамических схем» «двойной ветер» на модели карьера ЦГХК б а Рис. 8. Рекомендуемый режим работы системы пылегазоподавления карьера ЦГХК Время работы комплекса в режиме общего воздухообмена рассчитывается n вк = mi ( ш i н ) (1 + нц вц ), по формуле: (29) i = где: ш i – продолжительность штилевых периодов продолжительнос тью 3, 6, 9, 12....., ч;

mi – количество штилевых периодов одинаковой продолжительнос ти;

– время накопления вредных примесей от С ф=0,2 до С опт=0,4, ч;

нц – время н накопления примесей в цикле, ч;

вц – время работы комплекса в цикле, ч.

нц = нк нрз мв, Значение нц определяется по формуле: (30) где: нк – время накопления примесей в карьере от С ф=0,2 до С к=1,0, ч;

нрз мв – время работы средств – время накопления примесей в рабочей зоне, ч;

местного проветривания при единичном включении в процессе накопления при месей, ч.

Время нк рассчитывается по условию: нк = Vк [c] [ F (1 Cф )], где: Vк – объем карьера, м3;

[с] – ПДК примесей, кг/м3;

F – суммарная интенсив ность выделения примесей, кг/с. При Vрз=(0.30,4)Vк нрз =(0.30.4) нк. Значение н = Vк [c](C опт Сф ) F.

Время мв определяется из условия: мв = ( нк нрз ) (4 6), что соответ ствует 3–5 включениям средств мес тной вентиляции в процессе накопления при месей от С опт до С =1. Суммарное время работы средств местного проветрива ния слагается из двух периодов работы – в режимах местного и общего возду мв = ( вк + нц ) f ц, хобмена: (31) ш i н где f ц –количество циклов, которое определяется по формуле: f ц =. (32) вц + нц Значения шi и mi получены на основе метеорологических исследований.

Первые эксперименты по применению систем искусственного воздухооб мена на базе авиационных Т ВД были проведены на Центральном карьере Гороб лагодатского рудоуправления (ГБРУ) НТМК. Объем карьера составлял 9010 м.

При проведении экспериментов загрязнение атмосферы карьера имитировалось дымовыми шашками типа БД Ш-15. Концентрация вредных примесей определя лась как с помощью экспрессного метода приборами ИЗВ-3, так и химическим анализом проб воздуха в лаборатории ВГСЧ. В результате экспериментов уста новлено, что за 30 минут активного проветривания одним вентилятором НК-12КВ концентрация вредных примесей снижалась в 12–15 раз и дос тигала ПДК при инверсии =-0,02 К/м. Эксперименты по разрушению температурных инверсий с помощью двух АИ-20 КВ и одного НК-12КВ, работающих в «дина мическом» режиме, показали реальную возможность восстановления естествен ного воздухообмена: температурный градиент изменился с =-0,02К/м до = 0,005 К/м, а концентрация примесей достигала ПДК через 40 минут работы сис темы.

Система всесезонного пылегазоподавления карьера ЦГХК состояла из двух вентиляторов-оросителей НК-12КВ (без кожуха) и НК-12КВ-1М. На основании анализа проб воздуха в лаборатории ВГСЧ было установлено, что в течение од ного часа работы система обеспечивала снижение концентрации вредных приме сей в 4 раза (до ПДК) при инверсионной с тратификации в атмосфере карьера.

Сопоставление результатов лабораторных и промышленных экспериментов (рис.9), выполненное математико-аналитическими методами, показало их хоро шую сходимость (85%).

При испытаниях системы всесезон ного пылегазоподавления, состоя щей из двух вентиляторов-оро сителей НК-12КВ-1М, на карьере ПГХК установлена высокая эффек тивность подавления вредных при месей с помощью твердых осадков (снега): снижение концентрации по NОx в 2–3 раза;

по СО в 1,5–2 раза;

скрытой энергии ( E ) в 2 раза;

спец газа в 1,5 раза;

по пыли в 6 раз.

Дальность переноса снежных осад ков с применением гидравлического сопла новой конструкции составила 350–500 м, интенсивность выпадения осадков стала близкой к экспоненци Рис. 9. Сопоставле ние ре зультатов лабора альной. Промышленные экспери торных и промышле нных экспе риме нтов по восстановле нию е стестве нного воздухо менты показали также, что при рас обме на путе м разруше ния темпе ратурных пространении воздушно-газо-жидко инве рсий (на карье ре ЦГХК) стных струй в карьерном простран стве происходит интенсивное (до 50%) испарение воды. При этом процессы, про исходящие в атмосфере обрабатываемой зоны, аналогичны процессам, проте кающим в аппаратах для кондиционирования воздуха с применением воды.

Анализ экспериментов на карьере ГБРУ показал, что при работе вентиля тора НК-12КВ происходит изменение как относительной влажнос ти f на 10–15%, так и температуры воздуха Т на 2-4 К. Если время обработки не превышало 30- минут, то как скорость изменения температуры dT / d, так и скорость изменения относительной влажности df / d, приобретали ход на уровнях, отличающихся от естественных. Так dT d устанавливалась на уровне (1,5-2,5)0К ниже, а df / d на 5-12 % выше, по сравнению с естественным ходом.

Еcли время обработки увеличивалось до 1 часа, то df / d увеличивалась в 2 раза, а dT d в 4 раза, по сравнению с естественным ходом метеоэлементов.

Оценка результатов экспериментов по кондиционированию воздуха в атмо сфере карьера ГБРУ, произведенная с помощью диаграммы комплексных темпе ратур, и пылеподавлению показала, что после обработки атмосферы карьера воз душно-газожидкостной струей НК-12КВ-1М в течение 0,42 ч почти на всех рабо чих местах обеспечиваются комфортные условия, а запыленность воздуха снижа ется в 4 раза (рис.10).

На основании зондирования атмосферы карьера ЦГХК с помощью привяз ного радиозонда А-22 установлено, что в теплые периоды года при расходе воды в струе вентилятора НК-12КВ-1М Qв =0,05 м /с относительная влажность воздуха в атмосфере карьера может быть увеличена на 3-6% за 10-15 минут работы, а температура снижена на 0,6-1°С. Режимы кондиционирования зон карьера можно варьировать в широком диапазоне за счет изменения расхода воды, режимов ра боты ТВД и скорости перемещения струй.

Рис. 10. Результаты э кспериментов по кондиционированию воздуха При работе НК-12КВ-1М в режиме генерирования парогазовоздушных струй («термиков») для определения количества воды необходимо учитывать ее фазовые превращения:

mж, С Г m Г Т Г ( + Сж Т ж ) (33) СГ, Сж – удельные теплоемкости газов реактивной струи и введенной в гид где:

равлическое сопло воды, Дж/кг К;

Тж=Тк-Тж0 – изменение температуры воды, К;

- удельная теплота парообразования, Дж/кг;

Тк=373 К – температура кипе ния воды;

Тж0 – начальная температура воды, вводимой в гидравлическое сопло, К;

mГ – расход газов, кг/с. При Тж0 = 303–313 К;

mГ=48 кг/с;

ТГ=650 К по форму (m ж 0, 0075).

ле 33 mж15 кг/с 5. Исследования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов при массовых взрывах в карьерах Основными интегральными параметрами, характеризующими взорванную горную массу и образующуюся при взрывах пыль, являются – коэффициент раз рыхления, средняя крупность кусков, средний диаметр пылинок и объем взры ваемого блока. Для описания функциональной зависимости количества пыли, по падающей в ПГО, от этих параметров предложена феноменологическая модель процесса пылеобразования при производстве массовых взрывов в карьерах.

На основании допущения о пространственной однородности и масштабной инвариантности взорванного блока масса пыли, проникшей в ПГО, описывается формулой:

2 ( M П ) ПГО = ГП (1 1 k p ) (d П Dk )Vбл, (34) где Vo бл – объем взрываемого блока, м3;

– безразмерный коэффициент, завися щий от структуры и других механических свойств пород (в первом приближении = 1,0 );

ГП – средняя плотность горных пород, кг/м3;

k р– коэффициент разрых dП ления;

– средний размер пылинок, м;

Dк – средний характерный размер, или крупность куска во взорванном блоке, м.

В предельных случаях количество пыли составляет:

2( Dk D0 ), Dk D (35) 0d ( M П ) ПГО ГП V бл n ( ) Dk 16 D0 Dk ln (Dk D0 ),Dk D0, Dn где: D0 – средний характерный размер куска, принятый в модели, м.

В результате анализа соотношений, полученных на основе I-го начала тер модинамики, установлено, что задача расчета основных параметров ПГО (на чальной температуры Тi0 и объема) сводится к определению показателя политро пы (nm) неравновесного процесса расширения взрывных газов после детонации и «закалки». При рассмотрении процесса взрыва и последующего неравновесного перехода системы «газы – окружающая среда» в состояние равновесия опреде ляющим является принцип максимального возрастания энтропии. Изменение эн тропии всей системы S = S + Sср описывается формулой:

Aln[1 + (1 2 expb)] A(1 expb) (1 n) 3M 3 R(n ) S = ln H, (36) ( 1)(n 1) 3n A[1 + exp b + (expb) ] 1,5(1 expb) где: А=Тц/Т*;

b = (1 n) n ln H ;

Тц – температура цепной реакции, К;

М3 – масса ВВ, кг;

R – газовая постоянная, Дж/кгК;

H = 3 RТ ц pат – относительное дав ление в момент взрыва;

3 – плотность ВВ кг/м3;

SГ, Scр –изменение энтропии газов и среды, Дж/К;

– показатель равновесной адиабаты. Параметрами процес са являются –, Н, М3, R, 3, Тц;

неизвестными, подлежащими определению – A и n. Анализ формулы 36 показал, что S имеет максимум по переменным n и A.

При определении Smax следует учесть условия: A = Tц / T *;

1 exp(b) Tц / Tw ;

b = (1 n ) n ln H, где: Т* – температурная константа, К;

Тw – температура окружающей среды, К.

На основе решения уравнения 36 установлено, что в интервале Тц = (2500–3000) К, Тw=(240–300)0К, w=(1,31,25) кг/м3, Н=(50008400), lnH=8,529, nm=1,381,36.

После вычисления nm, соответс твующего Smax определяются объем газов Vг = M з з exp(ln H / nm ), (VГ) и температура (Ti0) ПГО: (37) Ti0 = Tц exp[(1 nm ) nm ln H ].

При расчетах количества вредных газовых выбросов следует учитывать, что в пылегазовое облако (ПГО) попадает лишь часть взрывных газов, поскольку взорванная горная масса является своеобразным задерживающим и фильтрую щим слоем. С учетом этого суммарный объем газов, проникающих в ПГО после первичного и вторичного выбросов, составит: Vн = Vн1 + Vн 2 = (1 1 k р )Vг.

Для пород I–II категорий суммарный объем газов, выброшенных в ПГО, составляет 49-56 %, а для пород III–V категорий – 31– 41%.

Начальный радиус ПГО определяется на основании формулы:

Ri 0 = 3 3Vн 4 = 3 3VГ 4 (1 1 k p ). (38) После выравнивания давления взрывных газов до атмосферного начинается динамический этап – подъем и развитие ПГО, параметры которого рассчитыва ются на основе I начала термодинамики и уравнений Мещерского (движение тел с переменной массой) с учетом эффекта смешения. Система уравнений, пред ставляющая модель формирования и подъема ПГО как осесимметричного изо тропного «термика» (пылегазовоздушного пузыря) после перехода к новой пере менной (y=1+z/z*) принимает вид:

dTi dy + 3Ti y = a z* + 3[T0 z* ( y 1)] / y, (39) 2 dWi dy + 6Wi y = 2z*Ti, (40) = 3 z y, R = R y.

* i i где: a – сухоадиабатический градиент температуры воздуха, К/м (a0,01К/м);

R i0 – начальный радиус ПГО, м;

– коэффициент вовлечения окружающего воз духа в ПГО, м-1;

=g/T – параметр плавучести, м/с 2К;

g – ускорение свободного падения, м/с 2;

Т – средняя температура в атмосфере карьера, К;

Wi – скорость подъема ПГО, м/с;

– температурный градиент в атмосфере карьера, К/м;

0 Ti = (T i0 T0 ) – начальный температурный перегрев ПГО, К;

Т0 – температу ра воздуха в месте взрыва, К;

y=1+z/z* – новая переменная.

Однородные линейные уравнения с правой час тью системы (39, 40) реша ются путем замены каждой переменной на произведение двух функций (Ti=uv, Wi = uv ), а правой части на функцию Q (y ).

В результате интегрирования получим изменение перегрева ПГО в процес се его подъема гиперболически-линейную зависимость:

3 (41) Ti = C1 y ( a ) 4 z* y = C1 y B1 y, где: C1 = 0Ti + ( a ) 4 z* = 0Ti + az* 4, a = a ;

B1 = az* 4.

Из уравнения 41 определится уровень выравнивания температуры ПГО с y 0 = 4 C1 B1 = 4 1 + 4 h z*, атмосферной (Ti=0):

где: h = 0Ti a – максимальный подъем ПГО в политропической атмосфере, м.

Поскольку y 0 = 1 + zт / z*, то уровень выравнивания температуры составит:

z т = z* (4 1 + 4h z* 1). (42) Уравнение 40 решается аналогично после подстановки в него значения Ti. В ре зультате получим общее решение уравнения скорости подъема ПГО – гипербо лически-тригонометрическую зависимость:

Wi = z* 4 y 3 ( y0 1) a 1 [( y 0 y 4 )( y 0 1)]2 = z* 4 y 3 ( y0 1) a cos. (43) 4 4 4 При y=y0, на уровне выравнивания температуры, скорость подъема ПГО имеет максимальное значение: Wi max = h a y 0 = h a (1 + 4h z* ) 4.

Уровень конвекции (zк), на котором ПГО останавливается и начинается его рас ( ) сеяние, можно рассчитать по формуле: zк = z* (4 y 2 1) = z* 4 1 + 8h z* 1. (44) После подстановки значения Wi из формулы 43 получим:

1y dy 4 (45) z = dz / Wi =.

a y = 1 y 4 (2 y 0 y 4 ) (2 y 0 1) 4 После преобразования подкоренного выражения в формуле 45 получим общее решение времени подъема ПГО – тригонометрическую зависимость:

y 4 4 (46) = 1 a arcsin ( y 0 y ) ( y0 1) y= По формуле 46 время подъема ПГО до уровня выравнивания температур zт и кон векции zк составит соответственно: T = 2 a, к = a.

После подстановки значений zт и zк в начальные условия (39, 40) определим ра 1 диус ПГО на этих уровнях: RT = Ri0 (1 + 0,8 h Ri0 ) 4, Rк = Ri0 (1 + 1,6 h Ri0 ) 4.

По приведенным формулам произведены расчеты при следующих услови ях: Тц=3000 0К;

3=750 кг/м3;

kр=1,3;

Т0=240 0К;

=-0,021 К/м;

R=287 Дж/кгК;

=0,04 м/с2К;

nm=1,38. Результаты расчетов приведены на рис. 11.

Аналогичные расчеты можно = – 0,021 К/м выполнить при других условиях: к Z T, Z K, м примеру, при прочих равных усло Т0 = 240 К виях, но при изотермии в атмо сфере карьера (=0), уровни вырав Wi ZT нивания температур (zт) и конвек max ции (zк) увеличиваются на 55-65%, время достижения облаком этих уровней возрастает соответственно до 78,5 с и 157 с, объем ПГО на этих уровнях увеличивается в 2,2 раза, по сравнению с инверсионной страти фикацией в атмосфере.

На основании расчетов с ис W i, м/с Рис.11. Изменение параметров ПГО от М 3 пользованием закона Стокса уста новлено, что в интервале М3=(105106) кг максимальный размер пылинок на уровне выравнивания температур составляет dnmax=(1,221,64)10-4 м. Перед уров нем конвекции размер пылинок не превышает 2,110-5 м (21 мк), более крупные частицы по мере подъема облака осаждаются. На уровне конвекции масса пыли, проникшей в ПГО, не превышает 40%. Скорость гравитационного оседания пы левых частиц dn=2,110-5 м составляет 0,05 м/с, частицы меньших размеров имеют значительно меньшую скорость и могут длительное время витать в воздухе.

Условия равновесия легких (СО) и тяжелых (СО2, NОx) газовых примесей на уровне выравнивания температур определяются условиям:

g (1 CO н ) VCO Vн = 3Wimax (z T + z* ).

(47) g (1 NO2 н ) V NO2 Vн = 3Wimax (z T + z* ).

где: g – ускорение свободного падения, м/с 2;

СО, СО2, NO2 – плотность СО, СО2, NO2, кг/м3;

VCO, VCO2, VNO2 – объем CO, СО2, NO2, м3;

н – плотность газовоздуш ной смеси в облаке на уровне zт, кг/м3;

zт – уровень выравнивания температур, м;

Wimax – скорость ПГО на уровне zт, м/с;

Vн – объем облака на уровне zт, м3.

Следует учес ть, что за счет активного вовлечения окружающего воздуха происходит активное окисление оксида азота и практически на уровне zт в ПГО остаются тяжелые оксиды азота (NO2, N2O4, N2O5).

Левая часть уравнений 47 представляет собой силу плавучес ти газовых примесей внутри облака, а правая – ускорение облака на уровне zт.

Так как CO н 1, то существование СО в облаке на уровне zт обуслов лено силой плавучести, направленной вверх. Двуокиси азота и углерода, имею щие примерно одинаковые плотнос ти на уровне zт начинают перемещаться в арь ергардную часть (вниз) под действием отрицательной силы плавучести.

Время оседания тяжелых газовых примесей (NO х, CO2) из остановившегося облака можно определить по условию:

NO2 (CO2 ) = z к ( о Ti ) (1 + 8 o Ti az* ) 3 / 4.

Для описания процессов рассеяния и распада ПГО после достижения им уровня конвекции была принята модель рассеяния и распада под дейс твием диф фузии осесимметричного изотропного «термика» (пылегазовоздушного пузыря), образовавшегося при движении тела переменной массы.

В рамках рассматриваемой модели принято, что на уровне конвекции дей ствует закон сохранения массы, а коэффициент диффузии D = const.

На основании этого имеем: D = 4 r 2 = 4 R к2 к = сonst, (48) где: Rк – радиус ПГО на уровне zк (за время к ), м;

r – радиус облака за счет диффузии на уровне zк по истечении времени к, м.

Из закона сохранения массы примесей на уровне zк имеем:

m = (4 3)r 3Cr = (4 3)Rк Ск = const.

(49) где: Ск – концентрация примесей в облаке на уровне zк, кг/м ;

Cr – концентра ция примесей в сфере ПГО радиусом r, во время к,.

Таким образом, из 48 получим изменение относительного радиуса облака во времени в результате диффузии примесей после уровня конвекции – парабо r = r Rк = ( к )1 / 2.

лическую зависимость: (50) С учетом (50) из (49) определяется гиперболическая зависимость изменения относительной концентрации примесей от времени в результате диффузии после достижения облаком уровня zк за время к :

Сr = Cr Cк = Rк r 3 = ( к ) 3 / 2.(51) При условии, что концентрация примесей не превысит ПДК ([C]) из 51 сле Сr = Cк Rк r 3 [С ], к (Ск [С])2 / 3, дует:

где: – время достижения концентрации примесей в ПГО уровня ПДК.

В результате расчетов (при М3 =100 т) определим время снижения концен трации примесей до ПДК (к =88 с): n (1,54 10 4 (2 10 6 ) ) 88 = 6780 с, СО (1,68 10 4 (2 10 5 ) ) 88 = 740 с, NO (1,22 10 4 (5 10 6 )) 88 = 2150 с.

x При наличии фонового ветра (Vф) облако дрейфует на расстояние: L = Vф.

Критическая скорость ветра, при которой может произойти разрыв сплош ности и распад ПГО, определится по условию: Vкр D к.

Значение D для нашего примера (М3 =100 т, Rк=47,5 м, к=88 с):

D = 4Rк к = 4 3,14 47,52 (88 c) м 2 = 322м2 /с, а критическая скорость ветра (струи) на уровне конвекции составит: (Vкр ) 322м2 /с 88с = 1,9 м/с.

При исследовании изменения параметров ПГО в результате воздейс твия на него многофазных струй необходимо учесть изменение удельной влажности в облаке и атмосфере. В связи с этим при переходе к новой переменной (y=1+z/z*) исходная система уравнений движения ПГО во влажной с тратифицированной атмосфере принимает вид:



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.